1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.1 玉米芯
1.1.1 玉米芯

在世界粮食生产中玉米约年产10亿吨，是一种非常高产的粮食作物。我国2018年的玉米产量约2.5亿吨。玉米芯又称玉米轴，一般占玉米总质量的20.0%-30.0%左右，是玉米加工生产过程中的一种副产品，即玉米果穗去籽脱粒后的穗轴。我国目前每年约有4000万吨玉米芯。玉米芯具有吸水性强、组织均匀、韧性好、营养丰富^[8]硬度适宜和耐磨性好等优点^[1]。玉米芯中主要成分是半纤维素、纤维素和木质素，其还含有氨基酸、维生素以及钾、铁、镁、硫等多种矿物质元素。玉米芯可直接饲喂利用、提取木聚糖、作为木糖醇的工业原料，作为有机酸、氨基酸、糖醇等的生产原料，也可经过前处理后经微生物发酵作为蛋白饲料。
1.1.2蛋白饲料
2005年我国蛋白饲料需量为4000万吨，实际供应量仅为1980万吨，缺口达到了2020万吨，到了2014年我国的饲料总产量达到了1.9亿吨，其中粮食总销量的53%为养殖用粮^[4]。但是目前，在我国的蛋白质饲料供给上，能够自给自足的还不到一半，根据专家预测，到了2010－2020年的时候，我国在蛋白类饲料原料的缺口上将达惊人的2400－4800万吨.所一直在限制着我国饲料产业的发展最重要因素就是饲料在原料总量上的不足，特别是其中蛋白质饲料原料的不充裕。所以用玉米芯废渣制取高蛋白饲料具有很高的应用价值^[15]。
1.1.3玉米芯饲料行业发展概况
近年来，随着科技的发展与工艺的进步，人们对玉米芯的开发与利用逐渐深入，玉米芯被用于木糖醇、木糖^[9]、糠醛、低聚木糖、葡萄糖、饴糖、平菇、黏合剂、乳酸和纳米粒子等一系列的高附加值产品的生产, 但用量较少^[5]；也有研究将玉米芯用于农作物栽培料、饲料预混料载体以及兽药载体等，这方面的年收购量也仅占玉米芯总产量的10%~15%。在畜牧业快速发展的情况下，合理的对玉米芯进行综合开发利用，研究和开发出更多的适应市场需求的产品如饲料产品，不仅有利于缓解玉米芯资源浪费和环境污染的情况，还有利于缓解粮食紧缺与饲料原料紧缺之间的矛盾问题，故而开发玉米芯饲料产品具有较大的经济价值和社会价值^[11]。

因此，本课题在玉米芯饲料开发利用方面，以微生物发酵玉米芯残渣来生产蛋白饲料，以求拓宽玉米芯利用方式，开发出新型的玉米芯饲料。

1.2 玉米芯废渣的制备
1.2.1酸水解残渣

李永莲等^[16]通过10种预处理方法综合考虑经济成本选定了最优方法为1.0%H₂SO₄预处理法。通过红外吸收光谱分析经1.0%H₂SO₄预处理后，玉米芯中碳水化合物分解, 羧酸酯类化合物和酮类化合物水解, 木质素有一定的破坏, 结晶结构破坏, 纤维素、半纤维素、糖类及其他碳水化合物部分被分解, 其酸水解玉米芯残渣可进行生物利用。

1.2.2 阿拉伯木聚糖提取残渣

称取一定量过筛后的玉米芯→加入一定量的氢氧化钠溶液→恒温水浴搅拌→冷却→离心取上层清液→有机溶剂沉淀→离心收集沉淀→冷冻干燥→产品阿拉伯木聚糖。剩余的残渣也可进行生物利用，作为蛋白饲料的底物^[3]。

1.2.3玉米芯废渣成分

玉米芯提取阿拉伯木糖后的废渣主要组分为木质素、纤维素、灰分。玉米芯废渣的组成分析及元素分析见表1、表2^[2]。

表1 玉米芯废渣组分 表2 玉米芯废渣的元素

1.2.4 玉米芯废渣用途

经上述流程提取后所余废渣主要用途有制备高强度的全生物质再生膜、制备活性炭、处理后作为饲料等用途。在玉米芯废渣中加入蛋白质源饲料辅料（花生粕和豆粕）后，酵母菌和乳酸菌混合厌氧发酵可提高粗蛋白质含量，从而获得一种高蛋白饲料^[4]。

1.3玉米芯的生物发酵

1.3.1玉米芯生物发酵种类

玉米芯发酵根据接入的发酵菌种好、厌氧特点通常可分为好氧发酵和厌氧发酵。培养方法是每个三角瓶中加40g固体，水料比按1∶2的比例添加（湿度以手捏成团，指缝中出现水珠而不下滴为宜），接种量为 10％（菌种稀释在水中，然后与玉米芯搅拌均匀），于锥形瓶中发酵，发酵时间为9d^[6]。对于好氧培养，每天添水、摇匀，对于先好氧后厌氧培养，前5d为好氧培养，后4d为厌氧培养；玉米芯生物发酵根据接入的菌种数量可分为单菌发酵和混合菌发酵。根据所选菌种的厌氧或好氧选取相应的上文介绍的发酵方法进行单菌发酵或混合菌发酵具体内容见表3；玉米芯生物发酵根据是否加入豆粕、花生粕、麸皮和玉米粉等发酵原料可分为纯玉米芯生物发酵与非纯玉米芯生物发酵。

表3玉米芯好/厌氧发酵

1.3.2纯玉米芯的发酵
玉米芯在不接入任何微生物的情况下，分别在好氧和厌氧条件下发酵。在好氧条件下，粗蛋白质含量显著提高，还原糖含量显著降低；在厌氧条件下粗蛋白含量差异不显著，而还原糖含量显著提高。这说明玉米芯在好氧发酵条件下增加了粗蛋白含量，在厌氧条件下增加了还原糖含量。
1.3.3玉米芯的混合发酵
张学雯等^[7]将解淀粉芽孢杆菌-2、解淀粉芽孢杆菌-9、枯草芽孢杆菌-7以1:3：3的接菌比例对玉米芯进行混合固态发酵。其营养成分含量较发酵前有了很大变化，表4可见，粗蛋白提高了115.8%，淀粉降低了34.4%，还原糖提高了91.7%，粗纤维降低了21.4%，中性洗涤纤维降低了18.8%，酸性洗涤纤维降低了22.5%。

表4玉米芯发酵前后营养成分对比

有研究表明：乳酸菌和酵母菌混合厌氧发酵有利于提高粗蛋白质的含量，黑曲霉好氧发酵有利于提高还原糖的含量。封功能^[6]等在玉米芯中加入豆粕，以乳酸菌厌氧发酵条件下，粗蛋白质含量提高最多。
1.4蛋白饲料的质量评价
玉米芯经过固态发酵、混合微生物制剂发酵和混合菌发酵后粗蛋白质含量与还原糖含量显著提高^[10]，可作为蛋白饲料投入市场。质量评价的测量指标为蛋白质含量，采用凯氏定氮法。

1.5本课题研究的目的和意义

玉米芯是玉米生产过程中的副产物，本课题对经过阿拉伯木聚糖提取的玉米芯残渣采用固态发酵生物转化来生产蛋白饲料，使其作为饲料的营养价值显著提高，可用于牛、羊等反刍动物，猪、禽等单胃动物，也可作为水产养殖的饲料补充；同时，能够解决残渣带来的环境问题。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1 本课题要研究或解决的问题

（1）玉米芯中阿拉伯木聚糖的提取

（2）玉米芯残渣的固态发酵